以下文章经许可转载自 The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。
与每届世界杯一样，在2022 年卡塔尔 FIFA 世界杯上，球员们将使用一款新球。 竞争者最不希望看到的是，在这项世界上最受欢迎的运动中最重要赛事中，最重要的装备表现出乎意料，因此，为了确保每个新的世界杯用球都能给球员带来熟悉感，需要做大量的工作。
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我是一名物理学教授，在林奇堡大学研究体育运动的物理学。 尽管围绕今年世界杯存在腐败和人权问题争议，但足球的科学和技巧仍然具有魅力。 作为我研究的一部分，每四年我都会对新的世界杯用球进行分析，看看创造这项世界上最美妙的运动的核心要素都投入了什么。
阻力物理学
在射门、任意球和长传之间，足球比赛的许多重要时刻都发生在球在空中时。 因此，足球最重要的特性之一是它在空气中的运动方式。
当球在空气中移动时，一层主要静止的薄空气层（称为边界层）会包围球的一部分。 在低速下，这个边界层只会覆盖球的前半部分，然后流动的空气会从表面剥离。 在这种情况下，球后方的空气尾迹有些规则，称为层流。
但是，当球快速移动时，边界层会包裹住球的更远区域。 当气流最终从球的表面分离时，它会以一系列混乱的漩涡形式进行。 这个过程称为湍流。
当计算移动空气对移动物体产生的力（称为阻力）时，物理学家使用一个称为阻力系数的术语。 对于给定的速度，阻力系数越高，物体感受到的阻力就越大。
事实证明，足球的阻力系数，层流大约是湍流的 2.5 倍。 虽然这看起来可能违反直觉，但使球的表面粗糙会延迟边界层的分离，并使球在湍流中保持更长时间。 物理学的这个事实——较粗糙的球感受到的阻力较小——是高尔夫球上的凹坑比光滑的球飞得更远的原因。
在制造一个好的足球时，气流从湍流过渡到层流的速度至关重要。 这是因为当发生这种过渡时，球开始急剧减速。 如果层流以过高的速度开始，则球开始减速的速度比保持湍流更长时间的球快得多。
世界杯用球的演变
自 1970 年以来，阿迪达斯一直为世界杯提供用球。 到 2002 年，每个球都采用标志性的 32 片结构制成。 20 个六边形和 12 个五边形面板传统上由皮革制成并缝合在一起。
一个新的时代始于 2006 年德国世界杯。 2006 年的用球名为 Teamgesit，由 14 个光滑的合成面板组成，这些面板热粘合在一起，而不是缝合。 更紧密的粘合密封在雨天和潮湿天气中阻止了水进入球的内部。
用新材料、新技术和更少的面板制造球，改变了球在空气中的飞行方式。 在过去的三届世界杯中，阿迪达斯试图平衡面板数量、接缝特性和表面纹理，以创造具有恰到好处的空气动力学的球。
2010 年南非世界杯的八片 Jabulani 球具有纹理面板，以弥补较短的接缝和较少的面板数量。 尽管阿迪达斯做出了努力，但 Jabulani 仍然是一个有争议的球，许多球员抱怨它会突然减速。 当我和我的同事在风洞中分析球时，我们发现Jabulani 整体过于光滑，因此与 2006 年的 Teamgesit 球相比，阻力系数更高。
2014 年巴西世界杯的 Brazuca 和 2018 年俄罗斯世界杯的 Telstar 18 用球都有六个形状奇特的面板。 虽然它们的表面纹理略有不同，但它们总体上具有相同的表面粗糙度，因此具有相似的空气动力学特性。 球员们普遍喜欢 Brazuca 和 Telstar 18，但有些人抱怨 Telstar 18 容易爆裂。
2022 年的 Al Rihla 球
新的卡塔尔世界杯足球是 Al Rihla。
Al Rihla 采用水性墨水和胶水制成，包含 20 个面板。 其中八个是边长大致相等的小三角形，十二个较大，形状有点像冰淇淋蛋筒。
Al Rihla 没有像以前的球那样使用凸起的纹理来增加表面粗糙度，而是覆盖着类似酒窝的特征，与之前的球相比，它的表面感觉相对光滑。
为了弥补光滑的手感，Al Rihla 的接缝更宽更深——也许是从接缝最浅最短的近期世界杯用球 Jabulani 的错误中吸取了教训，许多球员认为 Jabulani 在空中速度很慢。
我在日本的同事在筑波大学的风洞中测试了最近四届世界杯的用球。
当气流从湍流过渡到层流时，阻力系数迅速上升。 当这种情况发生在飞行中的球上时，球会突然经历阻力急剧增加并突然减速。
我们测试的大多数世界杯用球都在大约 36 英里/小时（58 公里/小时）的速度下发生了这种转变。 正如预期的那样，Jubalani 是一个异常值，过渡速度约为 51 英里/小时（82 公里/小时）。 考虑到大多数任意球的初始速度都超过 60 英里/小时（97 公里/小时），球员们觉得 Jabulani 速度慢且难以预测是有道理的。 Al Rihla 的空气动力学特性与其之前的两款产品非常相似，如果有什么不同的话，它甚至可能在较低速度下移动得更快一些。
每一个新球都会遭到一些人的抱怨，但科学表明，Al Rihla 应该会让今年世界杯的球员感到熟悉。
本文最初发表于 The Conversation。 阅读原文。